RU51718U1

RU51718U1 - COMPRESSOR MACHINE WITH LINEAR ELECTRIC DRIVE

Info

Publication number: RU51718U1
Application number: RU2005101903/22U
Authority: RU
Inventors: Николай Анатольевич Заболотский; Леонид Павлович Полуян
Original assignee: Николай Анатольевич Заболотский; Леонид Павлович Полуян
Priority date: 2005-01-26
Filing date: 2005-01-26
Publication date: 2006-02-27

Abstract

Полезная модель относится к микрокриогенной технике и может быть использована в криогенных холодильных машинах, заправленных газом.The utility model relates to microcryogenic technology and can be used in cryogenic gas-cooled refrigeration machines.

Полезная модель направлена на улучшение габаритно-массовых и энергетических характеристик, повышение надежности и ресурса работы компрессорной машины.The utility model is aimed at improving the overall mass and energy characteristics, increasing the reliability and service life of the compressor machine.

Компрессорная машина с линейным электроприводом содержит герметичный газонаполненный корпус, два оппозитных линейных двигателя, имеющих якоря, выполненные в виде кольцеобразных магнитов и статоры в виде кольцеобразных обмоток и кольцеобразных полюсов. В компрессорную машину дополнительно введены датчики перемещений каждого якоря, расположенные внутри магнитопроводов якорей и связанные с обмотками электродвигателей через усилительно-преобразовательное устройство. При этом каждый из двух якорей выполнен в виде полого цилиндра из магнитомягкого материала (магнитопровода), на наружной цилиндрической поверхности которого расположены упомянутые кольцеобразные радиально и противоположно намагниченные постоянные магниты.A compressor with a linear electric drive contains a sealed gas-filled housing, two opposed linear motors having anchors made in the form of ring-shaped magnets and stators in the form of ring-shaped windings and ring-shaped poles. In addition to the compressor machine, displacement sensors for each armature located inside the armature magnetic circuits and connected to the windings of electric motors through an amplification-conversion device are additionally introduced. Moreover, each of the two anchors is made in the form of a hollow cylinder of soft magnetic material (magnetic core), on the outer cylindrical surface of which are mentioned the ring-shaped radially and oppositely magnetized permanent magnets.

Description

Известны холодильные машины (микрокриогенные системы), работающие по циклу Стирлинга и содержащие компрессорную машину и охладитель (холодный палец) [1, 2].Known refrigerators (microcryogenic systems), operating according to the Stirling cycle and containing a compressor machine and a cooler (cold finger) [1, 2].

Недостатком отечественных холодильных машин Стирлинга является недостаточный ресурс работы, вследствие использования ротационных двигателей для привода компрессорной машины. Кроме того, возвратно-поступательные движения поршня в цилиндре компрессорной машины вызывают вибрации корпуса [3],The disadvantage of domestic Stirling refrigeration machines is the insufficient resource of work, due to the use of rotary engines to drive the compressor machine. In addition, the reciprocating motion of the piston in the cylinder of the compressor machine causes vibration of the housing [3],

В зарубежной холодильной технике широкое распространение получили холодильные машины Стирлинга с линейным электроприводом, позволяющие значительно увеличить ресурс работы машины за счет исключения из ее конструкции промежуточных звеньев, преобразующих вращательное движение двигателя в возвратно-поступательное движение поршня. При этом оппозитное расположение двух линейных двигателей обеспечивает бесшумную работу и практически нулевые вибрации корпуса [2, 4].In foreign refrigeration equipment, Stirling chillers with a linear electric drive are widely used, which can significantly increase the life of the machine by eliminating intermediate links from its design that convert the rotational motion of the engine into reciprocating piston motion. At the same time, the opposite arrangement of two linear motors ensures silent operation and practically zero body vibrations [2, 4].

Такие компрессорные машины содержат два линейных двигателя (поршня), расположенные оппозитно, цилиндропоршневые группы и элементы центрирования якорей [5].Such compressor machines contain two linear engines (pistons) located opposite, cylinder-piston groups and elements for centering the anchors [5].

Известны линейные электромагнитные двигатели, в том числе соленоидного типа [6, 7]. Недостатком таких двигателей является значительная величина индуктивности катушек, нелинейная зависимость силы от тока в обмотке.Linear electromagnetic motors, including the solenoid type, are known [6, 7]. The disadvantage of such motors is a significant value of the inductance of the coils, a nonlinear dependence of the force on the current in the winding.

Наиболее широкое распространение получили магнитоэлектрические линейные двигатели с якорем, содержащим постоянные магниты (с подвижными магнитами) [8], и с якорем в виде катушки (с подвижной катушкой). Недостатком магнитоэлектрических двигателей с подвижной катушкой являются недостаточные силовые характеристики, обусловленные наличием в магнитной системе воздушного зазора для размещения катушки и, вследствие этого, завышенные габаритные размеры.The most widespread are magnetoelectric linear motors with an anchor containing permanent magnets (with moving magnets) [8], and with an anchor in the form of a coil (with a moving coil). The disadvantage of magnetoelectric motors with a moving coil is insufficient power characteristics due to the presence in the magnetic system of an air gap to accommodate the coil and, as a result, oversized overall dimensions.

Наилучшими удельными силовыми и энергетическими характеристиками обладают магнитоэлектрические двигатели с подвижными магнитами. Малые значения индуктивности катушек, линейная зависимость силы от тока, высокие удельные силовые характеристики за счет малых зазоров в магнитной системе способствуют широкому распространению таких двигателей в последнее время.The best specific power and energy characteristics have magnetoelectric motors with moving magnets. The small values of the inductance of the coils, the linear dependence of the force on the current, high specific power characteristics due to the small gaps in the magnetic system contribute to the widespread use of such motors in recent years.

Наиболее близкими по технической сущности (прототип) являются холодильные газонаполненные машины Стирлинга с двумя оппозитными магнитоэлектрическими линейными двигателями и якорями в виде кольцевого магнита [9]. Магнитопроводы для замыкания магнитного потока постоянных магнитов являются неподвижными, т.е. не входят в состав якоря. Недостатком такой магнитной системы являются потери мощности на перемагничивание этого магнитопровода, что является существенным недостатком для микрокриогенных систем малой мощности. Кроме того, в упомянутых холодильных машинах Стирлинга центрирование якоря (поршня) относительно центра колебаний обеспечивается введением в конструкцию машины механических пружин (спиральных или мембранного типа). В таких конструкциях машин применение «легкого» якоря, содержащего только магниты, является обоснованным. Однако, упомянутые механические пружины при частотах возвратно-поступательных колебаний якорей 20-50 Гц существенно ограничивают ресурс работы машины, что является существенным недостатком.The closest in technical essence (prototype) are gas-cooled Stirling machines with two opposed magnetoelectric linear motors and anchors in the form of a ring magnet [9]. Magnetic cores for locking the magnetic flux of permanent magnets are stationary, i.e. are not part of the anchor. The disadvantage of such a magnetic system is the power loss due to the magnetization reversal of this magnetic circuit, which is a significant disadvantage for microcryogenic systems of low power. In addition, in the aforementioned Stirling refrigeration machines, the centering of the armature (piston) relative to the center of oscillation is provided by the introduction of mechanical springs (spiral or membrane type) into the machine structure. In such machine designs, the use of a “light” anchor containing only magnets is justified. However, the mentioned mechanical springs at the frequencies of reciprocating oscillations of the armature of 20-50 Hz significantly limit the life of the machine, which is a significant drawback.

Сущность полезной модели состоит в том, что в известной компрессорной машине с линейным электроприводом, содержащей герметичный газонаполненный корпус, два оппозитных линейных двигателя с якорем в виде кольцеобразных магнитов, дополнительно введен датчик перемещений каждого якоря, расположенный внутри магнитопровода якоря и связанный с обмотками двигателя через усилительно-преобразовательное устройство, каждый из двух якорей выполнен в виде полого цилиндра из магнитомягкого материала (магнитопровода), на наружной цилиндрической поверхности которого расположены два кольцеобразных радиально и противоположно намагниченных постоянных магнита, при этом масса якоря (суммарная масса магнитов, магнитопровода и пр.) определяется выражениемThe essence of the utility model is that in the known compressor machine with a linear electric drive containing a sealed gas-filled housing, two opposed linear motors with an anchor in the form of ring-shaped magnets, an additional displacement sensor for each armature located inside the armature core of the armature and connected to the motor windings through an amplification -conversion device, each of the two anchors is made in the form of a hollow cylinder of soft magnetic material (magnetic core), on the outer cylindrical the surface of which are two annular radially and oppositely magnetized permanent magnets, while the mass of the armature (the total mass of magnets, magnetic core, etc.) is determined by the expression

где m_як - масса якоря.where m _yak is the mass of the anchor.

С_пр - жесткость газовой пружины;With _pr - the stiffness of the gas spring;

ω - циклическая частота колебаний якоря.ω is the cyclic oscillation frequency of the armature.

Уменьшение потребляемой мощности достигается за счет увеличения массы якоря и резонансного режима работы машины, при котором обеспечивается баланс упругих и инерционных сил. Увеличение массы якоря без увеличения массы машины обеспечивается за счет размещения на нем магнитопровода, ранее располагаемого на неподвижной части машины и предназначенного для замыкания магнитного потока постоянных магнитов. Кроме The reduction in power consumption is achieved by increasing the mass of the armature and the resonant mode of operation of the machine, which ensures a balance of elastic and inertial forces. An increase in the mass of the anchor without increasing the mass of the machine is ensured by placing on it a magnetic circuit, previously located on the fixed part of the machine and designed to close the magnetic flux of permanent magnets. Besides

того, уменьшение потребляемой мощности происходит за счет исключения потерь на перемагничивание магнитопровода магнитным потоком постоянных магнитов.Moreover, the reduction of power consumption occurs due to the elimination of losses on the magnetization reversal of the magnetic circuit by the magnetic flux of permanent magnets.

Увеличение ресурса работы машины достигается за счет исключения из ее конструкции механических пружин (витых или мембранного типа), предназначенных для центрирования якоря. Центрирование якоря происходит с помощью «электрической пружины», работа которой обеспечивается с помощью дополнительно введенного датчика перемещений якоря, соединенного с обмотками двигателя через усилительно-преобразовательное устройство. При этом уменьшение габаритных размеров машины обеспечивается за счет размещения датчика перемещений внутри магнитопровода якоря. Полезная модель поясняется чертежами.An increase in the service life of the machine is achieved by eliminating from its design mechanical springs (twisted or membrane type) designed to center the armature. The centering of the armature occurs with the help of an “electric spring”, the operation of which is ensured with the help of an additionally introduced sensor for displacement of the armature connected to the motor windings through an amplifier-converter device. At the same time, the overall dimensions of the machine are reduced by placing a displacement sensor inside the armature magnetic circuit. The utility model is illustrated by drawings.

На фиг.1 представлена конструкция компрессорной машины, общий вид.Figure 1 shows the design of the compressor machine, a General view.

На фиг.2 представлена блок - схема одного канала управления движением якоря. Второй канал идентичен первому.Figure 2 presents a block diagram of one channel for controlling the movement of the armature. The second channel is identical to the first.

Компрессорная машина содержит герметичный газонаполненный корпус 1 с отверстием для подсоединения трубки «холодного пальца», два расположенных оппозитно линейных двигателя 2, включающих в себя якорь 3 и статор 4, цилиндропоршневую группу с двумя поршнями 5, расположенными в одном общем цилиндре 6, два датчика 7 перемещений якорей и усилительно-преобразовательное устройство 8.The compressor machine contains a sealed gas-filled housing 1 with a hole for connecting a cold finger tube, two opposed linear motors 2, including an armature 3 and a stator 4, a piston-cylinder group with two pistons 5 located in one common cylinder 6, two sensors 7 movements of anchors and amplifier-conversion device 8.

Каждый якорь 3 включает в себя магнитопровод 3-1, два радиально и противоположно намагниченных кольцевых постоянных магнита 3-2, поршень 5, якорь датчика 7-1.Each anchor 3 includes a magnetic core 3-1, two radially and oppositely magnetized ring permanent magnets 3-2, a piston 5, a sensor armature 7-1.

Усилительно-преобразовательное устройство 8 обеспечивает питание обмоток 1-го и 2-го двигателей 2 синусоидально изменяющимся током и обратную связь по положению якоря.The amplification-converting device 8 provides power to the windings of the 1st and 2nd motors 2 with a sinusoidally varying current and feedback on the position of the armature.

Компрессорная машина работает следующим образом.Compressor machine operates as follows.

При протекании тока по обмоткам двигателя на якорь двигателя воздействует сила, пропорциональная величине и соответствующая направлению тока в обмотке. Под действием этих сил два якоря (поршня) совершают возвратно-поступательное синусоидальное противофазное (встречное) движение с одинаковой амплитудой Х_{як 1} = Х_{як 2}, вследствие чего происходит синусоидальное изменение объема и давления газа в рабочей полости машины. Синусоидальные пульсации давления, возникающие при сжатии и расширении газа в рабочей полости машины, обуславливают возникновение упругих сил, действующих со стороны газа на поршни (газовая пружина). Баланс упругих сил газовой пружины и инерционных сил синусоидального движения якоря обеспечивается при колебаниях якорей на частоте, близкой к резонансной:When current flows through the motor windings, a force is applied to the motor armature proportional to the magnitude and corresponding to the direction of the current in the winding. Under the influence of these forces, two anchors (pistons) make a reciprocating sinusoidal antiphase (oncoming) movement with the same amplitude X _{yak 1} = X _{yak 2} , as a result of which a sinusoidal change in the volume and pressure of the gas in the working cavity of the machine occurs. Sinusoidal pressure pulsations arising from the compression and expansion of gas in the working cavity of the machine cause the appearance of elastic forces acting on the gas side of the pistons (gas spring). The balance of the elastic forces of the gas spring and the inertial forces of the sinusoidal movement of the armature is ensured by vibrations of the anchors at a frequency close to the resonant:

, ,

где С_пр - жесткость газовой пружины;where C _pr - the stiffness of the gas spring;

ω - циклическая частота колебаний якоря;ω is the cyclic oscillation frequency of the armature;

m_як - масса якоря.m _yak is the mass of the anchor.

Работа машины на резонансной частоте обеспечивается соответствующим выбором трех параметров: частоты, жесткости газовой пружины (давления заправки и диаметра поршня) и массы якоря.The operation of the machine at the resonant frequency is ensured by the appropriate choice of three parameters: frequency, gas spring stiffness (refueling pressure and piston diameter) and the weight of the armature.

При воздействии на якорь дестабилизирующих силы веса, линейного ускорения или иных сил появляются смещения якоря, которые измеряются датчиком перемещения и преобразуются в ток двигателя, который компенсирует дестабилизирующую силу.When the destabilizing forces of weight, linear acceleration or other forces act on the armature, armature displacements appear, which are measured by the displacement sensor and converted into the motor current, which compensates for the destabilizing force.

Стабильность амплитуды колебаний каждого якоря при изменении сил сопротивления движению поршней обеспечивается за счет обратной связи по положению якоря.The stability of the amplitude of the oscillations of each armature when changing the resistance forces to the movement of the pistons is ensured by feedback on the position of the armature.

Регулирование амплитуды колебаний якоря обеспечивается задающим сигналом U_зад в виде напряжения постоянного тока.The regulation of the amplitude of the oscillations of the armature is provided by the driving signal U _back in the form of a DC voltage.

Источники информации:Information sources:

1. Патент США 5882994, 20 октября 1998 г. МКИ F 25 B 9/00, U.S.1. US patent 5882994, October 20, 1998 MKI F 25 B 9/00, U.S.

2. Патент США 4697113, 29 сентября 1987 г. МКИ: Н 02 К 033/002. US patent 4697113, September 29, 1987 MKI: H 02 To 033/00

3. А.К.Грезин, В.С.Зиновьев. Микрокриогенная техника, Москва, 1977 г., с. 169.3. A.K. Grezin, V.S. Zinoviev. Microcryogenic Technique, Moscow, 1977, p. 169.

4. Патент США 4713939,22 декабря 1987 г. МКИ F 25 B 009/004. US patent 4713939.22 December 1987 MKI F 25 B 009/00

5. www.thales-cryogenics.com/linear.html, серия «LSF Cryocoolers»5. www.thales-cryogenics.com/linear.html, LSF Cryocoolers Series

6. Электромагнитный привод робототехнических систем. А.А.Афонин и др. Киев, Наукова думка. 1986 г., с.27.6. Electromagnetic drive of robotic systems. A.A. Afonin and others. Kiev, Naukova Dumka. 1986, p. 27.

7. Патент США 4761960, 9 августа 1988 г. МКИ F 25 B 009/007. US patent 4761960, August 9, 1988 MKI F 25 B 009/00

8. Патент WO 00/79671 A1, 21.06.2000 г. МКИ Н 02 К 33/008. Patent WO 00/79671 A1, 06/21/2000 MKI N 02 K 33/00

9. патент WO 9928685, 6 октября 1999 г. - прототип МКИ F 25 B 9/009. patent WO 9928685, October 6, 1999 - prototype MKI F 25 B 9/00

Claims

Compressor machine with linear electric drive, containing a sealed gas-filled housing, two opposed linear motors with annular magnets in the form of rings, characterized in that the design of the compressor machine additionally incorporates a displacement sensor for each armature located inside the armature core and connected to the motor windings through an amplification-converter the device, each of the two anchors is made in the form of a hollow cylinder of soft magnetic material (magnetic circuit), on the outer cylindrical the surface of which has two annular radially and oppositely magnetized permanent magnet, the armature mass is determined by the expression

where m _yak is the mass of the anchor, kg;

With _pr - the stiffness of the gas spring, N / m;

ν is the oscillation frequency of the armature, Hz.